Множественный вход и множественный выход (MIMO) — это антенная система, которая использует несколько антенн как на передающей, так и на принимающей стороне для формирования нескольких каналов между передающей и принимающей сторонами, чтобы значительно увеличить пропускную способность канала.
SOFTEL WIFI 6 Маршрутизатор ONU
Несколько входов и несколько выходов — это довольно сложный метод разнесения антенн. Эффекты многолучевого распространения влияют на качество сигнала, поэтому традиционным антенным системам приходится прикладывать все усилия, чтобы устранить эффекты многолучевого распространения. Системы MIMO, с другой стороны, используют эффекты многолучевого распространения для улучшения качества связи. В системе MIMO передающая и принимающая стороны используют несколько антенн, которые могут работать одновременно для связи. Системы MIMO обычно используют сложные методы обработки сигналов для значительного повышения надежности, дальности и пропускной способности. Используя эти методы, передатчик отправляет несколько радиочастотных сигналов одновременно, а приемник восстанавливает данные из этих сигналов. Система беспроводной связи MIMO — одна из ключевых технологий будущих систем мобильной и беспроводной связи. Очевидной особенностью системы MIMO является чрезвычайно высокая эффективность использования спектра. На основе полного использования существующих ресурсов спектра космические ресурсы используются для повышения надежности и эффективности. Конечная сложность обработки.
ключевой модуль
1. Моделирование модели канала системы MIMO
Производительность системы MIMO во многом зависит от модели канала. Хотя уже существуют стандартизированные модели беспроводного распространения и многие модели каналов MIMO были предоставлены на основе большого количества фактических измерений и теоретических исследований, они еще не признаны МСЭ. Признанная стандартизированная модель канала MIMO (3GPP сформулировала стандарты модели канала для MIMO). Таким образом, понимание и освоение характеристик беспроводных каналов MIMO в помещениях и на открытом воздухе, создание статических моделей и конкретных динамических моделей каналов MIMO имеет важное значение для выбора соответствующих системных структур и разработки отличных алгоритмов обработки сигналов для реализации потенциально огромных каналов систем MIMO. Производительность, достижение ожидаемой производительности имеет решающее значение.
2. Возможности системы MIMO
По сравнению с традиционной системой с одной антенной система MIMO значительно улучшилась как с точки зрения производительности, так и скорости передачи данных. Сначала Telestar и Foschini провели углубленный анализ пропускной способности канала системы MIMO. Они соответственно проанализировали гауссов шум. Исследование пропускной способности системы MIMO при следующих условиях показывает, что в предположении, что антенны независимы друг от друга, система с несколькими антеннами значительно улучшается по сравнению с системой с одной антенной. В случае знания характеристик передачи канала исследования Фоскини показывают, что: при M=N полученная пропускная способность канала увеличивается пропорционально N. При одинаковых мощности передачи и полосе пропускания пропускная способность канала системы примерно в 40 раз выше, чем у системы с одним входом и одним выходом (SISO).
3. Проектирование антенной решетки MIMO.
Как правило, антенны базовых станций устанавливаются высоко, и рассеяние в ближнем поле вокруг антенной решетки относительно слабое. Следовательно, чтобы получить некоррелированные сигналы на разных элементах массива, часто необходимо поддерживать расстояние между длинами волн между элементами массива как минимум в 10 раз больше. Когда количество антенн велико, могут возникнуть препятствия для построения линейных решеток базовых станций. Для мобильных терминалов из-за большого количества рассеивателей ближнего поля обычно считается, что расстояние между антенными элементами составляет более 1/2 длины волны, чтобы сделать корреляцию сигналов достаточно слабой. Поляризованная антенная решетка может использовать взаимно ортогональные состояния поляризации в одном и том же пространственном положении, чтобы реализовать кажущуюся нерелевантность элементов решетки, так что размер антенной решетки может быть относительно уменьшен.
4. Обработка сигналов системы MIMO.
Система связи с антенной решеткой в условиях замирания сталкивается с внутриканальными и межсимвольными помехами. Чтобы приблизиться к пропускной способности многоантенной системы, необходимы хорошие методы обработки сигналов. Высокопроизводительные и простые методы обнаружения сигналов или методы совместного обнаружения всегда были горячей темой для исследователей.
5. Проблема сложности системы MIMO.
Поскольку сигнал в системе MIMO распространяется на двумерное пространство-время по сравнению с системой с одной антенной, сложность каналов оценки канала, выравнивания канала, декодирования и обнаружения будет увеличиваться с увеличением количества антенн или увеличение порядка модуляции сигнала. Объем вычислений алгоритма напрямую влияет на задержку обработки, энергопотребление устройства и время ожидания. В то же время в практических приложениях ключевым фактором, ограничивающим системы MIMO, является высокая стоимость, связанная с использованием нескольких радиочастотных каналов. Чтобы уменьшить вычислительную сложность «программного обеспечения», обеспечьте более простые и эффективные методы обработки сигналов и различные схемы пространственно-временного кодирования и декодирования для систем MIMO. Для снижения стоимости «аппаратного обеспечения» выбор антенны является очень важной технологией, которая может значительно снизить сложность обработки и стоимость оборудования, сохраняя при этом преимущества технологии MIMO, и является предметом исследований, направленных на содействие практическому применению систем MIMO.
6. Разнообразие и мультиплексирование MIMO-систем.
Суть системы MIMO заключается в обеспечении выигрыша от разнообразия и мультиплексирования. Первое гарантирует надежность передачи системы, а второе повышает скорость передачи системы. Большая часть ранней литературы была сосредоточена на использовании разнесения передачи и пространственного мультиплексирования отдельно или в сочетании с кодированием. Исследования показали, что системы с несколькими антеннами могут одновременно обеспечивать разнесение и пространственное мультиплексирование, и между ними существует компромисс. Стоит изучить возможность максимизировать выигрыш системы за счет рационального использования двух режимов разнесения и мультиплексирования в системах MIMO.
7. (Многосотовая) Многопользовательская система MIMO.
Теоретически вопрос о пропускной способности многопользовательской системы MIMO решен, но вопрос о том, как обеспечить соответствие пропускной способности требованиям различных пользователей к скорости передачи данных, до сих пор не решен. Кроме того, в широковещательном канале из-за межантенных и межпользовательских помех в системе MIMO, как спроектировать вектор передачи для устранения внутриканальных помех между пользователями, как сделать пропускную способность системы и управление мощностью индивидуальное качество обслуживания каждого пользователя при ограничении мощности. Проблема оптимизации и связанных с ней технологий при наличии многосотовых многопользовательских систем по-прежнему находится в центре внимания исследований.
Основные принципы технологии MIMO
Технология MIMO подразумевает использование нескольких передающих антенн и приемных антенн на передающей и приемной стороне соответственно, так что сигналы передаются и принимаются через несколько антенн на передающей и приемной стороне, тем самым улучшая качество связи. Он может полностью использовать космические ресурсы, осуществлять множественную передачу и множественный прием через несколько антенн, а также может удвоить пропускную способность системного канала без увеличения ресурсов спектра и мощности передачи антенны, демонстрируя очевидные преимущества и считается следующим поколением мобильных устройств. технология связи. Суть технологии MIMO заключается в обеспечении выигрыша от пространственного разнесения и пространственного мультиплексирования для системы.
Передающая сторона отображает сигнал данных, который должен быть отправлен на несколько антенн, посредством пространственно-временного преобразования, а принимающая сторона выполняет пространственно-временное декодирование сигналов, полученных каждой антенной, для восстановления сигнала данных, отправленного передающей стороной. В соответствии с различными методами пространственно-временного отображения технологию MIMO можно грубо разделить на две категории: пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование. Пространственное разнесение означает использование нескольких передающих антенн для отправки сигналов с одной и той же информацией по разным путям и одновременного получения нескольких независимо затухающих сигналов одного и того же символа данных в приемнике, чтобы обеспечить надежность приема, улучшенную за счет разнообразие. Например, в канале с медленным релеевским замиранием, при использовании одной передающей антенны и n приемных антенн, передаваемый сигнал проходит через n различных путей. Если замирание между антеннами независимо, максимальный выигрыш от разнесения может быть получен как n. Для технологии разнесения передачи также необходимо использовать усиление нескольких путей для повышения надежности системы. В системе с m передающими антеннами и n приемными антеннами, если коэффициенты усиления на трассе между парами антенн независимы и равномерно распределены замирания Рэлея, максимальный выигрыш от разнесения, который может быть получен, равен mn. В настоящее время технологии пространственного разнесения, обычно используемые в системах MIMO, в основном включают код пространственно-временных блоков (STBC) и технологии формирования луча. STBC — это важная форма кодирования, основанная на разнесении передачи, самой основной из которых является схема Аламути, разработанная для двух антенн.
Самая важная часть метода STBC — сделать векторы сигналов, подлежащих передаче на несколько антенн, ортогональными друг другу. Использование технологии STBC позволяет добиться эффекта полного разнесения, то есть при использовании технологии STBC в системе с M передающими антеннами и N приемными антеннами максимальный выигрыш от разнесения составляет MN. Технология формирования луча заключается в отправке одних и тех же данных через разные передающие антенны для формирования фигурных лучей, направленных на определенных пользователей, тем самым эффективно улучшая усиление антенны. Чтобы максимизировать мощность сигнала луча, направленного к пользователю, технология формирования луча обычно требует расчета фазы и мощности данных, передаваемых на каждую передающую антенну, что также называется вектором формирования луча. Общие методы расчета вектора формирования луча включают вектор максимального собственного значения, алгоритм MUSIC и т. д. Максимальный выигрыш от разнесения передачи, который можно получить с помощью технологии формирования луча для M передающих антенн, равен M. Технология пространственного мультиплексирования заключается в разделении данных, подлежащих передаче, на несколько данных. потоки, а затем передавать их на разные антенны, тем самым увеличивая скорость передачи системы. Обычно используемый метод пространственного мультиплексирования — это вертикальный многоуровневый пространственно-временной код, предложенный Bell Laboratories, то есть технология V-BLAST.
